FR2818438A1 - TRANSMITTER STRUCTURE FOR FIELD EMISSION DISPLAY - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un réseau d'émetteurs de champ utilisé pour divers types de dispositifs, comprenant un dispositif d'affichage à base de nanotubes, et un dispositif d'amplification micro-ondes. Dans l'art intérieur, un électron vient frapper un phosphore (28) sur l'écran pour émettre ainsi de la lumière, un ion positif libéré du phosphore (28) venant frapper l'émetteur, dont la structure peut être déformée ou détruite.Selon la présente invention, on dispose un nanotube de carbone (10) et on le revêt d'une couche très mince d'un matériau de semi-conducteur ou d'isolant (12) présentant un degré élevé de dureté; on protège le nanotube de carbone des particules externes (en particulier des ions positifs), et les électrons sont émis facilement sous une plus faible tension appliquée, ce qui améliore considérablement l'uniformité et la stabilité de l'émission d'électrons.The present invention relates to a field emitter network used for various types of devices, comprising a display device based on nanotubes, and a microwave amplification device. In interior art, an electron strikes a phosphor (28) on the screen to emit light, a positive ion released from the phosphor (28) strikes the emitter, whose structure can be deformed or destroyed. According to the present invention, there is a carbon nanotube (10) and it is coated with a very thin layer of a semiconductor or insulator material (12) having a high degree of hardness; the carbon nanotube is protected from external particles (in particular positive ions), and the electrons are emitted easily under a lower applied voltage, which considerably improves the uniformity and the stability of the emission of electrons.
Description
DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne un émetteur de champ pour divers types de dispositifs comprenant un dispositif d'affichage à The present invention relates to a field transmitter for various types of devices comprising a display device with
base de nanotube et un dispositif d'amplification micro-onde. Plus par- nanotube base and a microwave amplification device. More by-
ticulièrement, l'invention concerne un émetteur de champ utilisant un nanotube de carbone comme matériau d'émetteur dans un dispositif d'affichage utilisant un émetteur de champ. Ici, le terme de " dispositif d'affichage " est destiné à couvrir tous les autres dispositifs d'affichage In particular, the invention relates to a field emitter using a carbon nanotube as the emitter material in a display device using a field emitter. Here, the term "display device" is intended to cover all other display devices
utilisant un émetteur de champ.using a field emitter.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTIONBACKGROUND OF THE INVENTION
Un dispositif d'affichage à émission de champ (AEC) dont le principe a déjà été introduit en 1968, a fait l'objet de recherches et de développements continus comme dispositif d'affichage faisant suite au A field emission display device (AEC), the principle of which was already introduced in 1968, has been the subject of continuous research and development as a display device following the
TRC (tube à rayons cathodiques), au TFT-LCD et au PDP grand écran. TRC (cathode ray tube), TFT-LCD and large screen PDP.
Dans un tel dispositif d'affichage à émission de champ, l'un des éléments les plus importants est un émetteur de champ qui est équivalent au canon à électrons d'un TRC, et l'on a considéré, comme matériau pour le réaliser, un métal (principalement du molybdène), un In such a field emission display device, one of the most important elements is a field emitter which is equivalent to the electron gun of a TRC, and it has been considered, as a material for making it, a metal (mainly molybdenum), a
semi-conducteur, un diamant et analogue. Etant donné qu'une sugges- semiconductor, diamond and the like. Since a suggestion
tion concernant l'utilisation d'un nanotube de carbone comme matériau tion regarding the use of a carbon nanotube as a material
d'émetteur, a été faite aux environs de 1995, on a effectué une recher- transmitter, was made around 1995, research was carried out
che et un développement associés à l'utilisation du nanotube de car- che and a development associated with the use of the nanotube
bone. L'utilisation du nanotube de carbone comme émetteur présente les avantages que l'émetteur du nanotube de carbone est beaucoup plus mince qu'un émetteur conventionnellement utilisé, qu'on crée un courant électrique élevé en appliquant une faible tension, qu'on augmente la redondance du fait qu'il existe un grand nombre de pointes dans celui-ci, et que les caractéristiques de liaison du carbone garantissent une stabilité de structure plus élevée qu'avec un émetteur bone. The use of the carbon nanotube as an emitter has the advantages that the emitter of the carbon nanotube is much thinner than a emitter conventionally used, that a high electric current is created by applying a low voltage, that the redundancy due to the fact that there are a large number of spikes in it, and that the carbon bonding characteristics guarantee a higher structural stability than with an emitter
en métal.made of metal.
Des approches pour la fabrication du nanotube de car- Approaches for the fabrication of the nanotube
bone, qui ont été suggérées jusqu'ici, comprennent les approches sui- bone, which have been suggested so far, include the following approaches
vantes:lowing:
en premier lieu, on fait croître verticalement des nanotu- first, we grow nanotu- vertically
bes de carbone sur un substrat en faisant passer des hydrocarbures sur le substrat recouvert d'un catalyseur tel que du nickel et analogue, en utilisant un procédé de dépôt de vapeur chimique (DVC); en second lieu, on crée abondamment des nanotubes de carbone en utilisant une décharge d'arc ou un procédé d'ablation à laser couramment utilisé dans l'art antérieur, on les mélange avec un autre agent adhésif métallique, puis on dispose le matériau mélangé sur le substrat; et bes of carbon on a substrate by passing hydrocarbons over the substrate covered with a catalyst such as nickel and the like, using a chemical vapor deposition (CVD) process; secondly, carbon nanotubes are abundantly created using an arc discharge or a laser ablation method commonly used in the prior art, they are mixed with another metallic adhesive agent, then the mixed material is placed on the substrate; and
en troisième lieu, on forme un jeu de nanotubes de car- third, we form a set of nanotubes of car-
bone parallèles en appliquant une polarisation à de l'aluminium immer- bone parallels by applying a polarization to immersed aluminum
gé dans une solution acide, et en laissant le film d'oxyde d'aluminium s'éroder de façon continue pour obtenir des trous fins régulièrement perforés sur celui-ci (en utilisant ce qu'on appelle un procédé d'alumine aged in an acid solution, and allowing the aluminum oxide film to erode continuously to obtain fine holes regularly perforated thereon (using what is called an alumina process
anodique), puis en faisant passer des hydrocarbures à travers les trous. anode), then passing hydrocarbons through the holes.
La figure 1 montre une représentation schématique d'un Figure 1 shows a schematic representation of a
nanotube de carbone conventionnel (non revêtu) dans laquelle une flè- conventional carbon nanotube (uncoated) in which a
che indique la direction des électrons (-e) émis lorsqu'une tension est appliquée au nanotube de carbone utilisé comme cathode. En pratique, che indicates the direction of the electrons (-e) emitted when a voltage is applied to the carbon nanotube used as cathode. In practice,
il existe un grand nombre de pointes de nanotubes mais on n'a repré- there are a large number of nanotube tips but we have not shown
senté ici qu'un seul nanotube représentatif. felt here only one representative nanotube.
Malgré les efforts de développement de tels nanotubes, il Despite the development efforts of such nanotubes, it
existe le gros problème qu'en cours d'utilisation la structure d'un na- there is the big problem that during use the structure of a na-
notube peut être déformée ou détruite, en conduisant ainsi à une insta- notube can be deformed or destroyed, thus leading to an insta-
bilité ou à une interruption de son fonctionnement. bility or to an interruption of its operation.
La principale raison pour laquelle un émetteur en fonc- The main reason why a transmitter works
tionnement est mis hors d'usage, est que lorsqu'un électron accéléré is put out of use, is that when an accelerated electron
vient frapper un phosphore pour émettre ainsi de la lumière, un ion po- comes to strike a phosphorus to emit light, an ion po-
sitif éjecté du phosphore est accéléré en sens inverse et vient frapper l'émetteur. Pour cette raison, l'uniformité, la stabilité et la durabilité The ejected phosphorus is accelerated in the opposite direction and strikes the emitter. For this reason, uniformity, stability and durability
d'un écran d'affichage n'atteignent pas un niveau requis pour une utili- of a display screen do not reach a level required for use
sation commerciale.commercial station.
RESUME DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
Par suite, compte tenu des problèmes ci-dessus, la pré- Therefore, in view of the above problems, the pre-
sente invention a pour but de créer un émetteur d'émission de champ à sente invention aims to create a field emission transmitter
base de nanotube de carbone, qui soit capable d'améliorer considéra- carbon nanotube, which is able to improve considerably
blement les performances d'un dispositif d'affichage à émission de the performance of a display device with emission of
champ en recouvrant une pointe du nanotube de carbone par une cou- field by covering a tip of the carbon nanotube with a layer
che de semi-conducteur ou d'isolant ayant un degré élevé de dureté pour une épaisseur mince, de l'ordre de quelques nanomètres (nm), de manière à protéger la pointe de l'émission d'électrons provenant d'une collision avec les particules extérieures, et à établir ainsi la durabilité et la stabilité du nanotube de carbone, de même qu'à réduire la tension semiconductor or insulator having a high degree of hardness for a thin thickness, of the order of a few nanometers (nm), so as to protect the tip from the emission of electrons coming from a collision with the outer particles, thereby establishing the durability and stability of the carbon nanotube, as well as reducing the tension
nécessaire qui lui est appliquée.applied to it.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un émetteur de champ comprend une couche de semi-conducteur ou According to an embodiment of the present invention, a field emitter comprises a semiconductor layer or
d'isolant déposée sur celui-ci par évaporation de la couche de semi- insulation deposited thereon by evaporation of the semi-layer
conducteur ou d'isolant sur le nanotube de carbone en utilisant un pro- conductor or insulator on the carbon nanotube using a pro-
cédé d'évaporation par faisceau d'électrons. yielded by electron beam evaporation.
Selon un autre mode de réalisation de la présente inven- According to another embodiment of the present invention
tion, un émetteur d'émission de champ comprend une couche de semi- tion, a field emission transmitter comprises a semi- layer
conducteur ou d'isolant déposée sur le nanotube de carbone par étin- conductor or insulator deposited on the carbon nanotube by spark-
celage d'argon sur un semi-conducteur ou un isolant, projection des atomes constitutifs, et injection de ces atomes sur les nanotubes de celing of argon on a semiconductor or an insulator, projection of the constituent atoms, and injection of these atoms on the nanotubes of
carbone.carbon.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, le maté- According to other features of the invention, the material
riau de semi-conducteur ou d'isolant déposé sur le nanotube de car- link of semiconductor or insulator deposited on the nanotube of
bone est à dopage de type n de manière à renforcer la conduction des électrons dans le cas o le matériau peut être à dopage de type n. En bone is doped with type n so as to reinforce the conduction of electrons in the case where the material can be doped with type n. In
variante le matériau de semi-conducteur ou d'isolant est l'un quelcon- variant the semiconductor or insulator material is any one
que de matériaux comprenant divers types de composés B, C, N in- than materials comprising various types of compounds B, C, N in-
cluant un BN, un carbone analogue à du diamant et du diamant, divers cluting a BN, a carbon analogous to diamond and diamond, various
types de matériaux isolants en oxydes, et diverses parties de corps fer- types of oxide insulating materials, and various iron body parts
roélectriques, qui ont un degré élevé de dureté et une forte durabilité which have a high degree of hardness and a high durability
contre des collisions d'atomes ou de molécules. against collisions of atoms or molecules.
De plus, il est possible de déposer une couche de semi- In addition, it is possible to deposit a layer of semi
conducteur ou d'isolant sur un nanotube de carbone en utilisant tous les procédés utilisés pour former une couche moléculaire très mince, comme par exemple un procédé d'ablation à laser, un procédé de DVC conductor or insulator on a carbon nanotube using all the methods used to form a very thin molecular layer, such as for example a laser ablation process, a DVC process
conventionnel et analogues.conventional and the like.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera décrite ci-après de manière The present invention will be described below in a manner
plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés sur les des- more detailed using the embodiments shown in the
sins annexés dans lesquels: - la figure i est une représentation schématique d'un nanotube de carbone conventionnel dans lequel une flèche indique la direction d'émission des électrons; - la figure 2 représente une structure schématique d'un émetteur de champ selon la présente invention, dans laquelle un nanotube de carbone est protégé d'une collision avec des atomes ou des particules attached sins in which: - Figure i is a schematic representation of a conventional carbon nanotube in which an arrow indicates the direction of emission of electrons; - Figure 2 shows a schematic structure of a field emitter according to the present invention, in which a carbon nanotube is protected from collision with atoms or particles
externes par une mince couche de semi-conducteur ou d'isolant dé- external by a thin layer of semiconductor or insulation
posée sur celui-ci; - la figure 3 est une représentation schématique d'une amplification d'émission de champ par une structure d'émetteur de champ selon la présente invention; et - la figure 4 est une représentation schématique de l'utilisation d'une pointe d'émission de champ montée sur un dispositif d'affichage à placed on it; - Figure 3 is a schematic representation of a field emission amplification by a field emitter structure according to the present invention; and - Figure 4 is a schematic representation of the use of a field emission tip mounted on a display device to
émission de champ selon la présente invention. field emission according to the present invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT
PREFERENTIELPREFERENTIAL
La figure 2 est une vue de côté d'un émetteur de champ selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. En Figure 2 is a side view of a field emitter according to a preferred embodiment of the present invention. In
pratique, il existe un grand nombre de pointes de nanotubes de car- practical, there are a large number of nanotube tips of car-
bone, mais on n'a représenté ici qu'une seule pointe de nanotube repré- bone, but only one point of nanotube represented here has been represented
sentative. De plus, bien qu'un nanotube simple, appelé nanotube 5,5 soit représenté ici à titre d'exemple, on obtient le même résultat dans le cas d'un nanotube ayant une forme d'enroulement différente et une taille différente, de même qu'une structure à une seule paroi ou à parois multiples. sentative. In addition, although a simple nanotube, called nanotube 5.5 is shown here by way of example, the same result is obtained in the case of a nanotube having a different winding shape and a different size, likewise than a single wall or multiple wall structure.
En utilisant un procédé de revêtement tel que décrit ci- Using a coating process as described above
dessus, le nanotube de carbone est revêtu d'une couche de semi- above, the carbon nanotube is coated with a semi-layer
conducteur ou d'isolant 12 de très grande dureté, qui est à dopage de type n et présente une bonne durabilité contre une collision avec les atomes ou particules externes (habituellement des ions positifs), pour une épaisseur de quelques nanomètres (nm). Pour les applications de revêtement, on peut utiliser des types de composés B, C, N comprenant BN, GaN, Si3N4, TiC, B4C, etc, des types d'oxydes comprenant TiO2, A1203, MgO, etc, et des parties de corps ferroélectriques comprenant SrTiO3, etc. Il est possible d'utiliser des particules de carbone analogues à du diamant (CAD) ou des particules de diamant, sans effectuer un dopage de type n. Les particules externes telles que par exemple des atomes ou des ions positifs 14 tombés du phosphore, peuvent entrer en collision avec la couche de semi-conducteur ou d'isolant 12 et rebondir conductor or insulator 12 of very high hardness, which is n-type doped and has good durability against collision with external atoms or particles (usually positive ions), for a thickness of a few nanometers (nm). For coating applications, types of compounds B, C, N including BN, GaN, Si3N4, TiC, B4C, etc., types of oxides including TiO2, A1203, MgO, etc., and body parts can be used. ferroelectric including SrTiO3, etc. It is possible to use diamond-like carbon particles (CAD) or diamond particles, without performing n-type doping. External particles such as, for example, atoms or positive ions 14 dropped from phosphorus, can collide with the semiconductor or insulator layer 12 and rebound
sur celle-ci ou être adsorbées sur sa surface. on it or be adsorbed on its surface.
Pendant ce temps, si une tension de polarisation est ap- During this time, if a bias voltage is applied
pliquée de l'extérieur au nanotube de carbone, il se produit un champ électrique puissant sur la pointe du nanotube de carbone. Dans ce cas, applied from the outside to the carbon nanotube, a strong electric field is produced on the tip of the carbon nanotube. In that case,
du fait d'une distribution de potentiel à l'intérieur du matériau de revê- due to a potential distribution inside the coating material
tement, l'énergie potentielle devient plus faible proportionnellement à la distance à la pointe du nanotube de carbone, et la barrière de potentiel The potential energy becomes lower in proportion to the distance from the tip of the carbon nanotube, and the potential barrier
est réduite. Par suite, comme représenté à la figure 3, une forte émis- is reduced. As a result, as shown in Figure 3, a strong emis-
sion d'électrons peut être induite sous une faible tension de polarisa- Electron ion can be induced under a low bias voltage.
tion. Comme la couche de semi-conducteur ou d'isolant présente des propriétés diélectriques, si une tension est appliquée à la couche, des charges positives 18 sont induites autour du nanotube de carbone et des charges négatives 20 sont induites sur la surface de la couche de semiconducteur ou d'isolant. Par suite, comme indiqué par la flèche tion. As the semiconductor or insulating layer has dielectric properties, if a voltage is applied to the layer, positive charges 18 are induced around the carbon nanotube and negative charges 20 are induced on the surface of the layer of semiconductor or insulator. As a result, as indicated by the arrow
22, un grand nombre d'électrons sont émis hors de la couche de semi- 22, a large number of electrons are emitted out of the semi-layer
conducteur ou d'isolant, comparativement au cas de la figure 1 o le nanotube de carbone n'était pas revêtu. Sous un dopage de type n, une conductor or insulator, compared to the case of Figure 1 o the carbon nanotube was not coated. Under n-type doping, a
nouvelle conduction d'électrons se produit dans la couche de semi- new electron conduction occurs in the semi-layer
conducteur ou d'isolant, ce qui lisse le débit d'électrons. De plus, en rendant la couche de semi-conducteur ou d'isolant aussi mince que conductor or insulator, which smooths the flow of electrons. In addition, by making the semiconductor or insulation layer as thin as
possible, on réduit fortement la diffusion des électrons. possible, the diffusion of electrons is greatly reduced.
La figure 4 est une représentation schématique de l'utilisation d'une pointe d'émission de champ montée sur un dispositif d'affichage à émission de champ selon la présente invention. Bien que la pointe d'émission de champ selon l'invention soit construite sur un dispositif d'affichage à émission de champ existant, la pointe d'émission Figure 4 is a schematic representation of the use of a field emission tip mounted on a field emission display device according to the present invention. Although the field emission tip according to the invention is built on an existing field emission display device, the emission tip
de champ est caractérisée en ce qu'elle est formée par un réseau de na- of field is characterized in that it is formed by a network of na-
notubes de carbone revêtus finement par une couche de semi- carbon notubes finely coated with a semi-layer
conducteur ou d'isolant, comme illustré à la figure 2. conductor or insulator, as shown in Figure 2.
Comme représenté à la figure 4, un pixel est constitué d'une plaque d'anode 30 revêtue d'un phosphore 28, de pointes d'émission de champ formées de nanotubes de carbone revêtus selon la présente invention, et de pièces d'écartement 34 entre lesquelles est maintenu un petit intervalle de vide. De plus, un panneau de réseau d'émetteurs de champ (REC) construit par des pixels disposés en deux dimensions, comprend une plaque de cathode froide 26 montée sur un substrat de verre 24. Une grille de métal 36 placée entre la cathode froide 26 et la plaque d'anode 30, commande la quantité d'électrons émise de la plaque de cathode froide 26 vers la plaque d'anode 30. Des électrodes horizontales et verticales sont disposées sur la cathode froide As shown in FIG. 4, a pixel consists of an anode plate 30 coated with a phosphor 28, field emission spikes formed of carbon nanotubes coated according to the present invention, and spacers 34 between which a small vacuum interval is maintained. In addition, a field emitter network panel (REC) constructed by pixels arranged in two dimensions, comprises a cold cathode plate 26 mounted on a glass substrate 24. A metal grid 36 placed between the cold cathode 26 and the anode plate 30, controls the amount of electrons emitted from the cold cathode plate 26 to the anode plate 30. Horizontal and vertical electrodes are arranged on the cold cathode
26, et le REC est à adressage par matrice par l'intermédiaire des élec- 26, and the REC is addressed by matrix through the electors
trodes. Par suite, pendant le temps durant lequel une tension est appli- trodes. As a result, during the time during which a voltage is applied
quée à la grille métallique 36, des électrons sont émis puis accélérés par that at the metal grid 36, electrons are emitted and then accelerated by
la tension d'anode appliquée à la plaque d'anode 30. Ensuite, les élec- the anode voltage applied to the anode plate 30. Next, the electri
trons passent à travers l'intervalle de vide et viennent frapper le phos- trons pass through the vacuum gap and strike the phos-
phore déposé sur la plaque d'anode, en produisant ainsi une émission de lumière. La référence 32 indique un verre conducteur (oxyde d'étain phore deposited on the anode plate, thereby producing an emission of light. Reference 32 indicates a conductive glass (tin oxide
indium: OEI) recouvrant la plaque d'anode. indium: OEI) covering the anode plate.
La caractéristique remarquable de la présente invention est de protéger le nanotube de carbone des collisions avec les particules externes (principalement des molécules ou des atomes ayant une charge positive). Comme représenté schématiquement à la figure 2, du The remarkable feature of the present invention is to protect the carbon nanotube from collisions with external particles (mainly molecules or atoms having a positive charge). As shown schematically in Figure 2, of
fait que le nanotube de carbone est protégé par le matériau semi- fact that the carbon nanotube is protected by the semi-material
conducteur ou isolant présentant une bonne durabilité contre les colli- conductor or insulator with good durability against colli-
sions grâce à ses caractéristiques de liaison très solides, le nanotube de carbone revêtu produit une émission d'électrons se faisant de façon stable et continue, en améliorant ainsi considérablement la brillance Thanks to its very solid bonding characteristics, the coated carbon nanotube produces an emission of electrons which is done in a stable and continuous manner, thus considerably improving the gloss.
d'un dispositif d'affichage et sa durabilité. of a display device and its durability.
Comme décrit ci-dessus, en revêtant la pointe du nato- As described above, by coating the tip of the nato-
tube de carbone par une couche mince de semi-conducteur ou d'isolant présentant un dopage de type n et un degré élevé de dureté, on peut carbon tube by a thin layer of semiconductor or insulator having n-type doping and a high degree of hardness, one can
protéger le nanotube de carbone des collisions avec des particules ex- protect the carbon nanotube from collisions with particles ex-
ternes, et l'on peut augmenter fortement l'émission d'électrons sous une dull, and we can greatly increase the emission of electrons under a
faible tension appliquée. Par suite, l'émetteur de champ formé du na- low voltage applied. As a result, the field emitter formed of the na-
notube de carbone selon la présente invention peut être fortement amé- carbon notube according to the present invention can be greatly enhanced
lioré en durabilité et en stabilité, de même qu'il peut être commandé par une faible tension appliquée. Par suite, l'émetteur de champ selon la présente invention peut être appliqué efficacement à la fabrication de improved in durability and stability, just as it can be controlled by a low applied voltage. As a result, the field emitter according to the present invention can be effectively applied to the manufacture of
diverses sortes de dispositifs d'afficheurs de type à émission de champ. various kinds of field emission type display devices.
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